[論文レビュー] Blockmania: from Block DAGs to Consensus

George Danezis, Dave Hrycyszyn|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 4被引用数 30

ひとこと要約

Blockmania は、通信基盤としてブロックDAG（有向無環グラフ）を用いるリーダーレスByzantine合意プロトコルを提案する。これにより、O(N²)の最悪ケース通信複雑性で効率的かつ最終的な合意が達成可能である。ブロックのガッピングと合意解釈を分離することで、非同期および部分的同期環境下でも安全で、ライブネスと最終性を保証し、広域ネットワーク上でも1秒あたり400,000件を超える取引処理を達成する。

ABSTRACT

Blockmania is a byzantine consensus protocol. Nodes emit blocks forming a directed acyclic graph (block DAG) that is subsequently interpreted by each node separately to ensure consensus with safety, liveness and finality. The resulting system has communication complexity $O(N^2)$ even in the worse case, and very low constant factors --- as compared to $O(N^4)$ for PBFT; it is leaderless; and network operations do not depend on the composition of the quorum or node stake. This makes Blockmania very efficient (leading to over 400K transactions per second on a wide area network), and ideal for dynamic membership and flexible and non-interrupted proof-of-stake protocols. A X-Blockmania variant, has $O(N)$ communication cost but also higher latency $O(\log N)$.

研究の動機と目的

• 動的でリーダーレスな環境において、通信オーバーヘッドを最小限に抑えて効率的に動作するByzantine合意プロトコルを設計すること。
• ブロックガッピングフェーズ（ブロックDAGの構築）と合意解釈フェーズを分離し、それぞれを独立して最適化可能にする。
• リーダー選出や複雑なクorum構造に依存せずに、非同期および部分的同期環境下でも強力な安全、ライブネス、最終性の保証を達成すること。
• 合意ロジックからステーク分配とノードメンバーシップを抽象化することで、柔軟で破壊的でないProof-of-Stakeプロトコルをサポートすること。
• 特に広域ネットワーク環境におけるスケーラビリティを実証し、低遅延と高スルーレットを実現すること。

提案手法

• ノードは定期的に署名済みブロックをブロードキャストし、それらが暗号的ハッシュによって以前のブロックを参照するブロックDAGを形成する。各ブロックには取引または他の有効なブロックへの参照が含まれる。
• ブロックの有効性は軽量なチェックによって保証される：署名検証、有効な以前のブロックへの参照、およびすべての参照ブロックの再帰的検証。
• 各ノードは受信したDAGを、Byzantineフォールトトレラントな合意インスタンスとして独立して解釈し、ブロックの順序付けに関する合意に到達するための簡素化されたPBFTスタイルプロトコルにマッピングする。
• プロトコルは、手数料に基づく決定論的ブロック順序付けと、委任型Proof-of-Stakeクorumシステムを用いて合意プロセスを保護する。
• X-Blockmania という変種は、階層的構造と仮想投票を用いることで通信コストをO(N)に低減するが、解釈プロセスのためO(log N)の遅延が生じる。
• ネットワーク操作（ブロックガッピング）と合意ロジックを分離することで、独立した最適化が可能になり、メッセージの肥大化が軽減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単純で軽量な有効性ルールによって形成されるブロックDAGが、強力な安全と最終性の保証を持つByzantine合意プロトコルの基盤として機能できるか？
• RQ2 ブロックガッピングと合意解釈を分離した場合の合意の通信複雑性はどの程度か？PBFTのO(N⁴)未満に抑えることができるか？
• RQ3 特に悪意ある状況下でも、広域ネットワーク上で低遅延かつ高スルーレットを達成できるリーダーレス合意はどのように実現できるか？
• RQ4 ブロックDAGの構築と合意解釈の分離は、Proof-of-Stakeシステムにおけるより柔軟で動的かつ非破壊的なメンバーシップとステーク分配を可能にするか？
• RQ5 このような設計において、通信効率（O(N²) 対 O(N)）と遅延（O(1) 対 O(log N)）の間にはどのような性能的トレードオフがあるか？

主な発見

• Blockmania は広域ネットワーク上でも1秒あたり400,000件を超える取引処理を達成し、Byzantineフォールトトレラント性を備えながらも実用的な高スルーレットを実証した。
• プロトコルは非同期および部分的同期環境下でも安全とライブネスを保証し、ブロックDAGの決定論的解釈によって最終性が達成される。
• 通信複雑性は最悪ケースでO(N²)に制限され、PBFTのO(N⁴)に比べて著しく低く、定数要因も顕著に小さい。
• X-Blockmania は階層的仮想投票を用いることで通信コストをO(N)に低減するが、解釈プロセスのためO(log N)の遅延が発生する。
• ブロックガッピングと合意解釈の分離により、ノードは独立して動作でき、各メッセージに合意メタデータを保持する必要がなくなる。
• プロトコルは動的メンバーシップとステーク再構成に耐性があり、ブロック作成時にノードIDやステーク分配の知識に依存しないため、合意ロジックに影響しない。